ファイバ伝送システムを利用したフローサイトメトリ設計の改良

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(1).feature. 医療イメージング. ファイバ伝送システムを利用したフローサイトメトリ設計の改良フィオナ・エバンスゲノム学で使われている分析機器は、迅速、丈夫、安定かつコンパクトで、. の質に深刻な影響をもたらす。. 試料にレーザビームを送る単一モード光ファイバシステムによって可能になっ. 同様な流れとして、診断・免疫学目. た高画質解像度が得られるフローサイトメトリシステムをさらに利用するよ. 的の血液分析があり、広く急速に拡大. うになっている。. している市場である。ゲノム学研究の進歩が、今では新たな診断検査や検査. 遺伝子発現の先端研究や、ハイスル. ン指標といった細胞・遺伝子変異に関. 装置を生み出している。. ープットな臨床・診断スクリーニングの. するような具体的な課題解決に向け. これらのすべての分析機器の設計. 市場の拡大は、バイオフォトニクスの. て、DNA 鎖の目的の部分を研究するた. は、パフォーマンスを向上させると同. 技術に大きな変化をもたらしている。. めに、より短い断片的な DNA や RNA. 様に、エラー源を減少させることが重. これらの進歩によって、その用途が学. のリード長から、より早く情報が集め. 要で、レーザの光ファイバ伝送は両方. 術研究の分野から離れ、大量な工業規. られている。. の問題に対処する有用なツールである。. 模の研究に使われることが可能になっ. しばしば代替が効かない試料を取り. 光ファイバは機器設計者に対して、レ. た。その究極の目標は、パーソナルゲ. 扱うときに、この分野の研究者は短時. ーザを現場での使用のために、容易に. ノム学と、それによるオーダーメイド医. 間で信頼できるデータを得られ、そし. 接続できる場所に設置できるという、. 療をより身近にもたらすことである。. て長期に渡って繰り返し可能な計測を. 多くのスクリーニング機器は、マイク. 必要とする。機器の安定性と解像度は. ロ流体力学やマイクロアレイ中の極小の. 重要で、あらゆる変化はデータや結果. 標的試料の分析において、信頼できて迅速・高解像度な結果を得るために、高性能なレーザや高度な光学システム、検出器を使う。DNA・血液分析といった分析処理はいずれもフローサイトメトリ技術によって分析可能で、光学システム設計を利用しており、さらに光学システム設計は自由空間光学系や光ファイバ伝送システムを基盤としている。. DNA・血液分析 DNA 分析は、免疫蛍光に次ぐフローサイトメトリの重要な用途であり、フローサイトメトリ機器の進歩をもたらしたものである。最初のヒトゲノムのマッピング完了には 10 年かかったが、現在ではデータ分析にはより多くの時間がかかるものの、マッピングは 3 日以内で可能である。また遺伝病や、ガ. 32. 2013.1 Laser Focus World Japan. 図 1 3D ビームのプロファイル画像を 3 列の kineFLEX-Hydra のファイバ伝送システムの出力から直接撮影した。この例では、単一モードファイバチャネルはアクティブ・アライメントされており、そのため偏光軸が互いに平行になっている。これらのビームは本来高いガウス分布となっており、統合されたビーム形成光となるため、レンズや小型レンズアレイに焦点を合わせるような用途に利用できる。統合された光は、フローチャネルやマイクロアレイにおいて完璧に配置・間隔を空けたスポットを繰り返し伝送する密接なシステムを作り出す。挿入図 : 3 列の kineFLEXHydra から、平行でガウス分布を示す、多色のビームスポットを黒い用紙に映したもの。.

(2) さらなる利点を持っている。. 分析技術このような遺伝子発現や薬理ゲノム学の新たな分野で使われる機器は、顕微鏡法とフローサイトメトリの原理が基盤となっている。これらの機器の設計では、常に繁忙なスケジュールとなっている中核施設で、大きく広がっている分析要求に対応できるように、スピードと処理量が重要となる。こういった施設の中には、研究スペースを拡大しないとアウトプットを増加できないところもある。そのため、既存の研究施設により多くの機器が配置できるように、設置面積がより小さい機器が求められている。. 図 2 2 列の kineFLEX-Hydra ファイバ伝送システムは、平行で同一線上のビームを形成する、統合出力ビーム光学系を含む。このシステムには 2 つの kineMATIX マニピュレータが含まれており、アライメントおよびそれぞれのレーザをファイバに接続するための各入力端である。レーザを寿命で交換するときに、レーザ側においてファイバから切り離すレーザを選択することで、ファイバは「その場に（ in situ ）」残すことができ、出力端を機器内に埋め込んだままにできる。これによって、整備や放熱のためにレーザをより便利な場所に設置できるようになる。. 通常のフローサイトメトリでは、1 回サイズの小さな試料を扱っており、現. や、レーザによる発熱を含めた環境条. ーブに対してそれぞれの励起レーザ光. 在では 1 分子レベルの画像を得るよう. 件の変化を受けやすい。. 源が割り当てられている。分析スピー. になっている。これは、フローサイトメ. それにもかかわらず、自由空間光学. ドを上げる方法のひとつは、試料に対. トリが本来直面している課題をさらに. 系は通常のフローサイトメータの用途. して励起する複数の光の波長を使って. 増やしていることを意味する。. において、いまだに広く使われている。. のランにおいて、試料中の 1 つのプロ. 並列処理を行うというものである。第. 光長路を可能な限り短くし、機器内の. 1 の課題は、フローストリーム中に流. 自由空間光学系. れている試料に光の焦点を合わせるこ. フローサイトメータは、レーザを形. て、最適な設計となるように改良され. とで、通常は幅が 100μm 以下である。. 成してフローセルに伝送するために、. ている。. 動いている標的から有意なデータを. レンズやフィルタ、顕微鏡対物の光学. 得るためには、検出器と照明源を可能. システムを伝統的に使用してきた。そ. 光ファイバ伝送. な限り安定・固定させる必要がある。. の原理はよく知られているが、しばし. 微生物スクリーニングや遺伝子発現. そうしなければ、どちらか一方でも動. ば長距離の光ビーム列となるため、レ. のような用途の要求に対しては、試料. いてしまったときに画像がぶれたり低. ーザのジッターの影響を受けやすいも. にレーザビームを伝送させる単一モー. 解像度になってしまう。第 2 の物理的. のとなっている。さまざまな位置に取. ドファイバを使用することで、レーザ. な課題は、フローセルに焦点を当てる. り付けられた光のオープンビームパス. 安定性から、画像解像度の向上、機器. 並列な照明スポットを作るために、十. は、熱温度の違いの影響をさらに受け. サイズの縮小、機器のさらなる堅牢性. 分に近づけた複数の光源からのレーザ. やすく、試料中でビームの移動を引き. まで、機能的にさまざまな利点が得ら. を位置調整するということであるが、. 起こす原因となりうる。. れる。. これは検出チャネルにおいて放出光と. 試料上にビームを当てるときには、. 単一モードファイバを使用すると、. 蛍光を同時に検出してしまうクロスト. わずかな動きでも大きな変化がおきう. 使用されているレーザの発光方法に関. ーク防止のために、これらのスポット. るため、光のアライメントは入念に行. わらず、レーザビーム照射の不安定性（ジ. を十分に離すための位置調整でもある。. う必要がある。その結果、自由空間光. ッター）を激減させることができる。最. さらに、遺伝子分析においてはより. 学系を使用する機器は、物理的な損傷. もよいシステムでは、30μrad/℃から 1. 温度を制御できる冷却方法を追加し. Laser Focus World Japan 2013.1. 33.

(3) .feature. 医療イメージング. μrad/℃以上まで及ぶ改良となりうる。ファイバはまた、ほぼ完璧なガウス分布を形成するために、空間フィルタとして機能して、ビームの非点収差を除去する。それによって生じたビームは自由空間システムのビームよりも安定しており、複数の光インターフェースによる蓄積エラーがなく、より信頼できる、安定した測定が保証されている（図1）。ファイバに被覆すると、移動や熱温度の変化に対するビームの感受性はさらに低下し、これにより装置のアライメントのために訪問する必要が減り、より強固な機器を設計できる。ファイバは熱を発生させるレーザ源をフローセルから離して設置させることもできるため、レーザを機器の外部に取り付けるといった、機器のレイアウトにさらなる柔軟性を持たせることができ. 図 3 完全なマルチラインレーザシステムを形成するために、結合された 3 つのレーザモジュールに取り付けられた 3 列の kineFLEX-Hydra。それぞれのラインは分離した単一モードで偏光アライメントされたファイバチャネルによって伝送される。この例では、専用の機器フォーマットに合わせて必要最小限なパッケージサイズにするために、取り外しできないようにファイバが複数列のレーザシステムに取り付けられている。. る。機器の光学アライメントが固定されており、レーザから独立しているた. の方法によって設置面積を半分に減ら. このプロセスに数日を要していた。こ. め、取り付けも大幅に容易になること. すことができた。. れによって診断と治療との間の時間が. から、レーザを取り付けたときに、長々. この改良が重要である理由は、結果. 劇的に短縮され、最適な効果を得るた. とした再アライメント処理を必要とし. として強固な計測ヘッドが得られ、そ. めに標的を絞った抗感染薬の使用が可. ない。. こには必要とされるビーム形成やビーム. 能になる。ビーム形成を統合した光ファ. 機器の設置面積を減らし、さらにフ. 伝送光がすべて包括されているという. イバ伝送システムは、複数の偏光アライ. ローセルに焦点を合わせる複数の照明. 点である。つい最近まで複雑な光学設. メントされた並列ビームを、堅牢で小さ. スポットを伝送させるために、より短. 定やアラインメントを必要とした複雑な. なパッケージに厳密に配置させて製造す. いビームパスが求められている需要に. 光学システムは、基本的には長さ200mm. るという工学的な課題を解決する。. 対して、英キオプティック社（Qioptiq）. 以下のプラグインコンポーネントに置き. そのほかの例として、遺伝子発現の. は単一モードで偏光アライメントされた. 換わりつつある（図 3 ）。. ための最新のマイクロアレイ用スキャ. ファイバアレイ「 kineFLEX-Hydra 」を. ナにおいて、計測解像度を 5 倍に向上. 開発し、これによって 2 つ以上の空間. カスタマイズ用途. 的に分割され並行するビームをフローセ. キオプティック社は、分析や治療の. 向上したレーザ安定性を提供するた. ルに伝送させることができる（図 2 ）。. 新たな可能性をもたらす計測方法を開. め、キオプティック社は著名な装置製. それぞれのファイバの中心は、必要. 発するため、生物工学研究者や装置メ. 造業者と提携した。標的となる試料が. とされるビーム偏光軸を並列処理させ. ーカーと共同研究をしている。たとえ. 小さくなるほど、光源に対するより多. るために、実際にはサブミクロン精度. ば、現在利用可能なゲノムスクリーニ. くの制御が必要となる。. で配置されている。光長路をさらに減. ングシステムでは、生物学的な試料を. 少させるために、ビーム形成光やフィ. スキャンして、感染した生命体から大. ルタをファイバアレイに統合させること. 腸菌やブドウ球菌といった菌株を 3 時. もできる。機器製造業者と協力して、こ. 間以内で検出・同定できる。かつては、. 34. 2013.1 Laser Focus World Japan. できる専用ソリューションとともに、. 著者紹介フィオナ・エバンスはキオプティック社（英 Qioptiq ）の事業開発担当マネージャーである。 e-mail: [email protected] URL: www.qioptic.com. LFWJ.

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